Tratamento Térmico Explicado: Tipos, Métodos e Benefícios para Metais e Ligas

Neste artigo, vamos aprender o que é o processo de tratamento térmico e também sobre os vários tipos de processos de tratamento térmico em detalhes.

O que é Processo de Tratamento Térmico?

Tratamento térmico refere-se a uma combinação de aquecimento e resfriamento de um metal ou liga no estado sólido com o propósito de obter propriedades desejadas. Mudanças nas propriedades resultam de alterações microestruturais no material produzidas pelas operações de tratamento térmico.

Tratamento térmico é o processo de aquecer e resfriar metais, usando métodos predeterminados específicos para obter propriedades desejadas. Tanto metais ferrosos quanto não ferrosos passam por tratamento térmico antes de serem postos em uso. Ao longo do tempo, muitos métodos diferentes foram desenvolvidos. Mesmo hoje, metalurgistas trabalham constantemente para melhorar os resultados e a eficiência de custo destes processos.

Para isso, desenvolvem novos programas ou ciclos para produzir uma variedade de graus. Cada programa refere-se a uma taxa diferente de aquecimento, manutenção e resfriamento do metal. Quando seguidos meticulosamente, estes métodos podem produzir metais de diferentes padrões com propriedades físicas e químicas notavelmente específicas.

Fundamentos do Tratamento Térmico

Embora ferro e aço constituam a grande maioria dos materiais tratados termicamente, ligas de alumínio, cobre, magnésio, níquel e titânio também podem ser tratadas termicamente.

Processos de tratamento térmico requerem três passos básicos. Ou podemos dizer que as etapas do tratamento térmico são:

1. Aquecimento a uma temperatura especificada
2. Manutenção nessa temperatura pelo tempo apropriado
3. Resfriamento segundo métodos prescritos

As temperaturas podem chegar a 2400°F (≈1315°C) e o tempo na temperatura pode variar de alguns segundos a 60 horas ou mais.

No forno, alguns materiais são resfriados lentamente, enquanto outros devem ser têmperados (quenched). Tratamento a -120°F (≈-84°C) ou inferior é necessário para alguns processos criogênicos. Água, salmoura, óleos, soluções poliméricas, sais fundidos, metais fundidos e gases são exemplos de meios de têmpera. Cada um tem características próprias ideais para tarefas específicas. 90% das peças, por outro lado, são temperadas em água, óleo, gás ou polímeros.

A. Estágio de Aquecimento

Durante o estágio de aquecimento, o objetivo principal é garantir que o metal aqueça uniformemente. Aquecer lentamente assegura aquecimento uniforme. Se o metal for aquecido desuniformemente, uma seção pode expandir mais rápido que outra, resultando em seção distorcida ou trincada. Seleciona-se a taxa de aquecimento baseada em:

1. Condutividade térmica do metal: Metais com alta condutividade aquecem mais rápido que os de baixa condutividade.
2. Condição do metal: Ferramentas e peças que foram previamente endurecidas ou tensionadas devem ser aquecidas mais lentamente que as que não foram.
3. Tamanho e seção transversal do metal: Para permitir que a temperatura interna fique próxima à superficial, peças maiores ou com seções desiguais devem ser aquecidas mais lentamente que peças pequenas. Caso contrário, corre-se risco de trincas ou empenamento excessivo.

B. Estágio de Manutenção (Soaking)

O propósito do estágio de manutenção é manter o metal na temperatura adequada até que a estrutura interna desejada se forme. O "período de manutenção" refere-se ao tempo que o metal fica na temperatura apropriada. Serão necessários a análise química e a massa do metal para determinar o tempo correto. O período para seções desiguais pode ser determinado usando a maior seção.

Em geral, não se deve levar a temperatura do metal da ambiente à de manutenção em um único passo. Em vez disso, aquece-se lentamente o metal até pouco abaixo da temperatura em que a estrutura mudará, e mantém-se lá até que a temperatura seja consistente por todo o metal. Após este passo de "pré-aquecimento", pode-se aquecer rapidamente à temperatura final requerida. Para prevenir empenamento, peças com desenhos complexos podem requerer múltiplas camadas de pré-aquecimento.

C. Estágio de Resfriamento

Durante o estágio de resfriamento, deseja-se retornar o metal à temperatura ambiente, mas há diferentes maneiras de fazer isso dependendo do tipo de metal. Pode requerer um meio de resfriamento, como gás, líquido, sólido ou combinação. A taxa de resfriamento é determinada pelo metal e pelo meio usado. Como resultado, as opções de resfriamento escolhidas têm impacto significativo nas propriedades desejadas do metal.

Têmpera (Quenching) é o resfriamento rápido do metal em ar, óleo, água, salmoura ou outro meio. A maioria dos metais que são endurecidos são resfriados rapidamente com têmpera, então a têmpera é geralmente associada ao endurecimento; no entanto, têmpera ou outro resfriamento rápido nem sempre resulta em endurecimento. O cobre, por exemplo, é recozido usando têmpera em água, e outros metais são endurecidos com resfriamento lento.

Objetivo do Tratamento Térmico

Estes servem a um ou mais dos seguintes propósitos:

1. Melhorar a usinabilidade
2. Aliviar tensões internas
3. Melhorar propriedades mecânicas como ductilidade, resistência, dureza, tenacidade, etc.
4. Alterar o tamanho do grão
5. Aumentar resistência ao calor e corrosão
6. Modificar propriedades elétricas e magnéticas
7. Alterar a composição química
8. Remover gases

Vantagens do Tratamento Térmico

Após tratamento térmico, os materiais são:

• Produtos mais duráveis
• O aço torna-se mais tenaz, mais forte
• Mais fáceis de soldar
• Mais flexíveis
• Aumenta sua resistência ao desgaste
• Aumento na vida útil geral da peça

O tratamento térmico é feito por várias razões. Alguns procedimentos amolecem o metal, outros o endurecem. Podem também afetar a condutividade elétrica e térmica. Alguns métodos aliviam tensões causadas por processos prévios de trabalho a frio. Outros adicionam propriedades químicas desejáveis. A escolha do melhor método é determinada pelo tipo de metal e propriedades requeridas.

Uma peça metálica pode ser submetida a múltiplos procedimentos de tratamento térmico. Algumas superligas usadas na indústria aeroespacial, por exemplo, podem passar por até seis etapas diferentes para serem otimizadas para a aplicação.

Tipos de Processo de Tratamento Térmico

Os propósitos acima podem ser atendidos por um ou mais dos seguintes processos:

1. Recozimento (Annealing)
2. Normalização (Normalizing)
3. Endurecimento (Hardening)
4. Revenimento (Tempering)
5. Cementação / Endurecimento de Superfície (Case Hardening):
   • a.) Cementação (Carburizing)
   • b.) Cianetação (Cyaniding)
   • c.) Nitratação (Nitriding)
6. Endurecimento Superficial (Surface Hardening):
   • a.) Endurecimento por indução (Induction hardening)
   • b.) Endurecimento por chama (Flame hardening)
7. Revestimento por Difusão (Diffusion Coating)

1. Recozimento (Annealing)

Recozimento é uma das operações mais importantes e amplamente usadas no tratamento térmico do aço.

Recozimento é um tratamento térmico em metalurgia e ciência dos materiais que altera as propriedades físicas e às vezes químicas de um material para aumentar sua ductilidade e reduzir sua dureza, tornando-o mais trabalhável. Envolve aquecer um material acima de sua temperatura de recristalização, manter essa temperatura por tempo apropriado e então resfriar.

O objetivo do recozimento é obter um ou mais dos seguintes efeitos:

1. Amolecer o aço
2. Melhorar a usinabilidade
3. Aumentar ou restaurar ductilidade e tenacidade
4. Aliviar tensões internas
5. Reduzir ou eliminar inhomogeneidade estrutural
6. Refinar o tamanho do grão
7. Preparar o aço para tratamento térmico subsequente

2. Normalização (Normalizing)

Normalização é um processo de tratamento térmico usado para tornar um metal mais dúctil e tenaz após ter sido endurecido termicamente ou mecanicamente. É o processo de aquecer um material a alta temperatura e então deixá-lo resfriar de volta à temperatura ambiente expondo-o ao ar ambiente após o aquecimento. Este aquecimento e resfriamento lento altera a microestrutura do metal, reduzindo sua dureza e aumentando sua ductilidade.

Quando o aço é trabalhado a frio, a estrutura é distorcida e o metal pode se tornar frágil e não confiável. A estrutura interna de peça forjada a quente também pode ser distorcida por ter sido trabalhada a temperatura muito baixa. Temperatura de acabamento variável resulta em estrutura variável para forjados do mesmo teor de carbono. Da mesma forma, se uma fundição é vazada a temperatura indefinida e resfria em taxas diferentes em partes diferentes, pode ser não confiável. A normalização é, portanto, usada particularmente para:

O objetivo da Normalização é obter um ou mais dos seguintes efeitos:

1. Eliminar estrutura de grão grosso
2. Remover tensões internas causadas pelo trabalho
3. Melhorar as propriedades mecânicas do aço

Além destes, pode ser usada para aumentar a resistência de aços de médio carbono (em comparação com aços recozidos), melhorar a usinabilidade de aços de baixo carbono, melhorar a estrutura de soldas, etc.

3. Endurecimento (Hardening)

A operação de endurecimento é aplicada a todas as ferramentas e algumas peças importantes de máquinas destinadas a serviço especialmente pesado, bem como a todas as peças feitas de aço liga.

Os propósitos do endurecimento com revenimento subsequente são:

1. Desenvolver alta dureza para resistir ao desgaste e permitir cortar outros metais
2. Melhorar resistência, elasticidade, ductilidade e tenacidade

O processo consiste em:

1. Aquecer o aço a uma temperatura acima do ponto crítico
2. Manter nessa temperatura por período considerável
3. Temperar (resfriamento rápido) em água, óleo ou banho de sal fundido

4. Revenimento (Tempering)

Revenimento, em metalurgia, é o processo de melhorar as propriedades de um metal, particularmente aço, aquecendo-o a alta temperatura, mas abaixo do ponto de fusão, e então resfriando-o, geralmente em ar. O processo tenazifica reduzindo a fragilidade e tensões internas.

Quando uma peça de aço é retirada do meio de têmpera, ela está dura, frágil e com severas tensões internas desigualmente distribuídas, além de outras características desfavoráveis. Em geral, o revenimento restaura a ductilidade e reduz a dureza, resultando em alguma diminuição da dureza. Os objetivos primários do revenimento são:

1. Estabilizar a estrutura do metal
2. Reduzir tensões internas produzidas durante aquecimento anterior
3. Reduzir parte da dureza produzida durante o endurecimento e aumentar a ductilidade
4. Dar ao metal condição estrutural combinada com tenacidade e resistência a choque

O tratamento de revenimento requer:

1. Reaquecer o aço após endurecimento a temperaturas abaixo do ponto Ac1 (linha psk na fig 6.6)
2. Manter por tempo considerável
3. Resfriamento lento. É desejável que a temperatura do aço seja mantida por não menos que 4 a 5 minutos para cada milímetro de seção

5. Cementação / Endurecimento de Caixa (Case Hardening)

A. Cementação (Carburising)

O método mais antigo conhecido de produzir superfície dura no aço é endurecimento de caixa ou cementação. O aço usado é geralmente aço de baixo carbono (~0,15% C), que não responde apreciavelmente a tratamento térmico. Durante o processo, a camada externa é convertida em aço de alto carbono com 0,9 a 1,2% C. Se receber tratamento térmico adequado, terá superfície extremamente dura por fora e núcleo dúctil macio.

B. Cianetação (Cyaniding)

Cianetação é um processo de produzir superfície dura em aços de baixo ou médio carbono imergindo o aço em banho de sal fundido contendo cianeto mantido a 800-900°C e então temperando o aço em água ou óleo. A dureza produzida é devida à presença de compostos de nitrogênio e carbono na camada superficial.

C. Nitratação (Nitriding)

Nitratação é um processo de produzir camada superficial dura apenas em aços liga. Consiste essencialmente em aquecer o aço em atmosfera de gás amônia a 500-650°C sem tratamento térmico adicional. A amônia se dissocia e o nitrogênio nascente combina com elementos no aço para formar nitretos. Estes dão extrema dureza à superfície. Camada dura de 0,2 a 0,4 mm é produzida em 50 horas.

A nitratação é a última operação após conformação e tratamento térmico. A sequência após forjamento é: (a) têmpera em óleo a 850-900°C, (b) revenimento a 600-650°C, (c) usinagem bruta, (d) estabilização (remover tensões) a 525-550°C, (e) usinagem final e, (f) nitratação.

Nitratação é usada em muitas peças de desgaste de motores automotivos, aéreos e diesel, bem como em numerosas peças diversas como eixos de bomba, gabaritos, matrizes de estiramento, engrenagens, embreagens e mandris. Seu uso é limitado pelo custo e pela camada comparativamente fina obtida.

6. Endurecimento Superficial (Surface Hardening)

A. Endurecimento por Indução (Induction Hardening)

O aquecimento por indução mostrou-se satisfatório para muitas operações de endurecimento superficial requeridas em áreas de mancais de virabrequins, comandos de válvulas, eixos e superfícies de desgaste similares. Difere da prática comum de cementação pois a análise do aço superficial não é alterada; o endurecimento é realizado por aquecimento e têmpera extremamente rápidos da superfície de desgaste, sem efeito no núcleo interno. A dureza obtida é a mesma do tratamento convencional e depende do teor de carbono.

B. Endurecimento por Chama (Flame Hardening)

O processo de endurecer aço aquecendo-o com chama de maçarico oxiacetilênico é conhecido como endurecimento por chama, que, como o por indução, baseia-se em aquecimento e têmpera rápidos da superfície por água. A chama é dirigida à parte desejada sem aquecer o restante da peça eficientemente para afetá-la. As vantagens são:

1. Por aquecer rapidamente, é conveniente quando dureza é requerida apenas em profundidade limitada, o restante retendo sua tenacidade e ductilidade originais.
2. Torna possível e prático endurecer parte ou toda uma peça grande ou inconveniente para colocar em forno.
3. O tempo requerido para aquecimento é menor com chama do que com forno.

7. Revestimento por Difusão (Diffusion Coating)

Revestimento por difusão, ou cementação metálica, é o processo de impregnar a superfície do aço com alumínio, cromo, silício, boro, berílio e outros elementos.

É realizado aquecendo e mantendo peças de aço em contato direto com um dos elementos acima, que pode estar em estado sólido, líquido ou gasoso. Este processo confere propriedades valiosas ao aço, entre as quais alta resistência a calor, corrosão e desgaste. Em muitos casos, aço submetido a revestimento por difusão pode substituir aço de alta liga.

Diagrama de Fases (Phasor Diagram)

Cada liga metálica tem seu próprio diagrama de fases. O tratamento térmico é realizado de acordo com estes diagramas. Eles retratam as mudanças estruturais que ocorrem em diferentes temperaturas e composições químicas.

Vamos usar o diagrama de fases ferro-carbono como exemplo, pois é o mais conhecido e amplamente ensinado nas universidades.

O diagrama de fases ferro-carbono é uma ferramenta útil para aprender sobre o comportamento de tratamento térmico de vários aços carbono. O eixo x representa o teor de carbono da liga, enquanto o eixo y representa a temperatura.

Note que o limite no qual o aço se torna ferro fundido é 2,14% de carbono.

O diagrama retrata várias regiões onde o metal pode ser encontrado em vários microestados como austenita, cementita e perlita. Estas áreas são denotadas pelas fronteiras A1, A2, A3 e Acm. Quando a temperatura ou valor de teor de carbono passa através destas interfaces, ocorrem mudanças de fase.

• A1: Limite superior da fase cementita/ferrita
• A2: Limite onde o ferro perde seu magnetismo. A temperatura na qual um metal perde magnetismo também é chamada de temperatura de Curie
• A3: Interface que separa fase Austenita + Ferrita da fase γ (Gama) austenita
• Acm: Interface que separa γ Austenita do campo Austenita + Cementita

O diagrama de fases é uma ferramenta importante para determinar se o tratamento térmico será benéfico. Cada estrutura contribui com qualidades diferentes para o produto final, e o tratamento é escolhido accordingly.

Passos do Processo de Tratamento Térmico

Em termos simples, tratamento térmico é o processo de aquecer o metal, mantê-lo nessa temperatura e então resfriá-lo de volta. Durante o processo, a peça metálica sofrerá mudanças em suas propriedades mecânicas. Isso ocorre porque a alta temperatura altera a microestrutura do metal, que desempenha papel importante nas propriedades mecânicas.

O resultado final depende de muitos fatores: tempo de aquecimento, tempo de manutenção, taxa de resfriamento, condições ambientais, etc. Os parâmetros dependem do método, tipo de metal e tamanho da peça.

Ao longo do processo, as propriedades do metal mudam: resistência elétrica, magnetismo, dureza, tenacidade, ductilidade, fragilidade e resistência à corrosão.

Aquecimento

• Peças metálicas colocadas no forno
• Peças de motor a jato entrando no forno
• A microestrutura de ligas muda durante o tratamento térmico. O aquecimento é realizado conforme um perfil térmico prescrito
• Uma liga pode existir em três estados quando aquecida: mistura mecânica, solução sólida, ou combinação de ambas
• Mistura mecânica é análoga a concreto onde cimento liga areia e brita. Com ligas metálicas, a mistura é mantida pelo metal base
• Em solução sólida, todos os componentes são misturados homogeneamente — não podem ser identificados individualmente nem ao microscópio
• Cada estado traz qualidades diferentes. É possível mudar o estado através do aquecimento segundo o diagrama de fases. O resfriamento determina o resultado final. A liga pode terminar em um dos três estados, dependendo do método

Manutenção (Soaking)

• Durante a manutenção, o metal é mantido na temperatura alcançada. A duração depende da exigência
• Ex: cementação requer apenas mudanças estruturais na superfície para aumentar dureza superficial. Outros métodos precisam propriedades uniformes; neste caso, o período é maior
• O tempo de manutenção também depende do tipo de material e tamanho da peça. Peças maiores precisam mais tempo para propriedades uniformes. Leva mais tempo para o núcleo de peça grande atingir a temperatura requerida

Resfriamento

• Após a manutenção, o metal deve ser resfriado de maneira prescrita. Nesta etapa, também ocorrem mudanças estruturais. Uma solução sólida ao resfriar pode permanecer igual, tornar-se mistura mecânica total ou parcialmente, dependendo de vários fatores
• Diferentes meios como salmoura, água, óleo ou ar forçado controlam a taxa de resfriamento. A sequência acima está em ordem decrescente de taxa efetiva. Salmoura absorve calor mais rápido, ar é o mais lento
• Também é possível usar fornos no processo de resfriamento. O ambiente controlado permite alta precisão quando resfriamento lento é necessário

Quais Metais São Adequados para Tratamento Térmico?

Embora metais ferrosos representem a maioria dos materiais tratados, ligas de cobre, magnésio, alumínio, níquel, latão e titânio também podem ser tratados.

Aproximadamente 80% dos metais tratados são diferentes graus de aço. Ferro fundido, aço inoxidável e vários graus de aço ferramenta são ferrosos que podem ser tratados.

Metais ferrosos são comumente submetidos a endurecimento, recozimento, normalização, alívio de tensões, cementação, nitratação e revenimento.

Métodos como recozimento, envelhecimento e têmpera são usados em cobre e ligas de cobre.

Alumínio é adequado para recozimento, tratamento térmico de solução, envelhecimento natural e artificial, e outros métodos. O tratamento térmico de alumínio é um processo preciso. O escopo deve ser estabelecido e cuidadosamente controlado em cada etapa para garantir as características desejadas.

Evidentemente, nem todos os materiais são adequados para os vários tipos de tratamento térmico. Da mesma forma, um único material pode não se beneficiar de todos os métodos. Cada material deve ser estudado separadamente para alcançar o resultado desejado. O ponto de partida é usar diagramas de fases e informações sobre os efeitos dos métodos mencionados.

Tratamento Térmico de Aços

Tratamento térmico de aços é o aquecimento e resfriamento de metais para mudar suas propriedades físicas e mecânicas sem causar mudança de forma. É um método para fortalecer materiais, mas também pode alterar propriedades como conformabilidade, usinabilidade, etc.

A aplicação mais comum é metalúrgica, mas o tratamento térmico de metais também pode ser usado na produção de vidro, alumínio, aço e diversos outros materiais.

Tentamos cobrir todos os aspectos do tratamento térmico: o que é, tipos de processos incluindo métodos como Recozimento, Cementação, Revenimento, Normalização e mais. Também discutimos vantagens e desvantagens.

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